Thực vật phản ứng với trọng lực, áp lực và va chạm như thế nào

Các nhà khoa học thuộc đại học Washington tại St. Louis là những người đầu tiên nhận diện 2 protein điều hành hoạt động ống ion nhạy cảm cơ học trong rễ cây. Từ lâu họ đã biết rằng tế bào thực vật có phản ứng với lực vật lý. Tuy nhiên cho đến nay, những protein điều khiển phản ứng của ống ion vẫn còn là bí ẩn.

Ngay từ cái tên ta có thể thấy ống nhạy cảm cơ học là con đường xuyên qua màng tế bào phản ứng với lực vật lý như trọng lực, áp lực hay va chạm. Dưới tác động nhất định ống sẽ được mở ra cho phép lưu thông các ion như canxi hay kali lưu chuyển qua tế bào. Một số lực khác lại khiến ống khép lại, ngăn chặn dòng lưu chuyển.

Dòng lưu thông ion qua màng tế bào được xác định về mặt sinh lý điện nhờ kỹ thuật có tên Patch – Clamp. Tuy vậy người ta vẫn chưa hiểu rõ bản chất của các ống lưu thông. Hiện nay, việc nhận biết các protein liên quan khiến quá trình tìm hiểu ống lưu thông nào đảm nhiệm chức năng trở nên dễ dàng hơn.

Tiến sĩ Elizabeth Haswell – trợ lý giáo sư sinh học tại đại học Washington (St. Louis) đồng thời là điều tra viên chỉ đạo dự án – cho biết: “Chúng ta vẫn đang tìm hiểu đặc tính các ống nhạy cảm cơ học ở thực vật trong suốt 20 năm nay. Đây là lần đầu tiên phát hiện các protein chịu trách nhiệm thực hiện các hoạt động nói trên”.

Các nhà nghiên cứu phát hiện hai protein điều khiển hoạt động ống ion nhạy cảm cơ học trong rễ cây Arabidopsis. (Ảnh: iStockphoto)

Thực vật có, vi khuẩn cũng có

Theo nghiên cứu công bố trên số ra ngày 20 tháng 5 trên tờ Current Biology, hai protein điều khiển hoạt động của ống ion trong rễ cây Arabidopsis là MSL9 và MSL10. MSL là viết tắt của cụm MscS-Like protein (protein giống MscS) do tính tương đương của nó với hệ thống ống trên vi khuẩn có tên MscS (ống nhạy cảm cơ học có độ dẫn nhỏ). Mặc dù vi khuẩn và thực vật không gần gũi lắm về mặt tiến hóa, nghiên cứu này cho thấy tế bào vi khuẩn và tế bào thực vật có lẽ đã sử dụng cùng một loại protein điều khiển phản ứng với lực cơ học.

Để chứng minh các ống nói trên thực sự là ống nhạy cảm cơ học, các đồng nghiệp người Pháp của Haswell đã ứng dụng phương pháp Patch – Clamp nhằm xác định chuyển động của ion qua màng tế bào rễ cây Arabidopsis khi áp lực trong tế bào tăng lên. Thí nghiệm đã chứng minh áp lực tế bào tăng cũng làm tăng dòng lưu chuyển ion qua màng. Tương tự khi áp lực bên trong giảm, lưu lượng ion cũng giảm theo.

Để biết liệu MSL9 và MSL10 có liên quan đến dòng lưu chuyển ion hay không, Haswell đã tạo dòng đột biến Arabidopsis không có hai protein nói trên. Khi tế bào rễ cây thiếu MSL9 và MSL10, dòng lưu chuyển ion qua màng hầu như không biến đổi khi áp lực trong tế bào tăng lên. Nói cách khác, nếu không có hai protein này ống ion hầu như không họat động. Mà chính các protein khác nhau là nguyên nhân họat động của chúng.

Hai loại kết hợp

Sau khi chứng minh MSL 9 và MSL 10 chịu trách nhiệm thực hiện hoạt động của ống ion, Haswell cùng cộng sự bắt tay vào việc xác định liệu có phải cả hai protein cùng tham gia điều khiển phản ứng hay không hay chỉ một protein làm nhiệm vụ chính. Do đó họ tiến hành thí nghiệm với cây thiếu một trong hai protein này rồi ngỡ ngàng khi khám phá ra rằng tế bào chỉ có MSL9 điều khiển một loại hành động còn tế bào chỉ có MSL10 lại điều khiển một loại hành động khác. Quan trọng là tế bào có cả hai protein lại điều khiển loại hành động thứ ba. Từ đó cho thấy cả MSL9 và MSL10 đều cần thiết trong quá trình hình thành phản ứng của các ống ion nhạy cảm cơ học trong rễ cây Arabidopsis dạng dại.

Haswell cùng cộng sự đưa ra ý kiến rằng ống ion được tạo thành từ các cấu trúc dưới phân tử của protein MSL9 và cả MSL10. Cấu trúc kết hợp của chúng tạo nên phản ứng ống ion nhạy cảm cơ học đặc thù ở thực vật dạng dại chứ không hề có ở bất cứ dòng thực vật đột biến nào.

Mặc dù đã phát hiện ra hai protein điều khiển phản ứng của ống ion trong rễ cây Arabidopsis, bí ẩn vẫn còn đó. Nhằm xác định tại sao dòng đột biến lại có khiếm khuyết đồng thời tìm ra mục đích của ống ion, nhóm của Haswell đã trồng các cây không có các ống này trong một số điều kiện đặc biệt, ví dụ như tỉ lệ muối cao, vách ngăn rễ hay khử nước.

Haswell cho biết: “Chúng tôi đã tiến hành hàng trăm thí nghiệm, nhưng chúng tôi chưa bao giờ thấy có khác biệt giữa dòng đột biến và dòng tự nhiên. Nhưng đây chắc chắn là một trong những bước tiến lớn tiếp theo nhằm tìm ra họat động thực của các ống và tại sao chúng lại có vai trò quan trọng”.